Einsatz von Strahlpumpen
Effizienzvorteile für die Regelung von Wärmeübertragern
Der Einsatz von Wärmeübertragern gehört in der Industrie und in der Gebäudetechnik zum Standard. Für deren Leistungsregelung empfehlen sich je nach Anwendung unterschiedliche Schaltungen. Eine weniger bekannte Variante ist die Beimischregelung mittels Wasserstrahlpumpe – kurz Strahlpumpe genannt. Die Wärmeverteilung erfolgt dabei hydrodynamisch und nicht wie üblich elektrodynamisch. Wir stellen das System vor.
Bei der häufig zum Einsatz kommenden Massenstromregelung – im Fachjargon Drosselschaltung genannt – ist die Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager immer gleich der Primärvorlauftemperatur des Wärmenetzes. Die Schaltung ist sehr einfach aufgebaut, hat jedoch bei größerer Temperaturdifferenz zwischen dem Primär- und dem Sekundärvorlauf deutliche Nachteile. So wird bei großen zu regelnden Leistungen bzw. sehr kleiner Teillast für ein gutes Regelverhalten ein zusätzliches (kleineres) Regel ventil benötigt (gestrichelte Linie in Bild 1).
Da auch die Wärmeübertrager bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Teillastfall an ihre Leistungs- bzw. Regelgrenzen kommen, ist eine andere Lösung für diese Anwendungsfälle sinnvoll. Eine Alternative ist der Einsatz von Strahlpumpen.
Hersteller Baelz setzt seit ca. 50 Jahren geregelte Strahlpumpen in Hausanschlussstationen, an Lüftungsregistern, auf Heizungsverteilern und in der Industrie sowie für die Warmwasserbereitung in der Gebäudetechnik ein. Die Strahlpumpe übernimmt dabei gleichzeitig die Funktion eines Regelventils und einer Pumpe. Sie wälzt das Wasser im Verteilerkreis um, passt die Umwälzmenge zum Verbraucher an den Wärmebedarf an, regelt die Temperatur und gleicht Differenzdruckschwankungen aus. Sie ist damit elementarer Teil des Regelkreises.
Vorteile der Beimischregelung
Eine Beimischregelung verbessert in allen Lastfällen die Qualität der Anlage im Vergleich zur Massenstromregelung. Aufgrund des erhöhten Armaturenaufwandes durch eine zusätzlich benötigte Mischkreispumpe bei einer Beimischschaltung wird aus Kostengründen oft darauf verzichtet. Mit dem Einsatz einer geregelten Wasserstrahlpumpe (Jetomat) dagegen ist die Beimischung ohne Mehraufwand möglich. Damit kann die primärseitige Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager den Randbedingungen des Anwendungsfalls optimal angepasst werden.
Beispiel 1: Frischwasserstation mit geringem Leistungsbedarf (z. B. Zirkulationsbetrieb)
Daten des Wärmeversorgungsnetzes:
- Primärvorlauftemperatur: bis 130 °C im Winter und mindestens 75 °C im Sommer
- Betrachtung zur Übergangszeit bei 101 °C Primärnetz-Temperatur
- Differenzdruck im Netz 0,4 bar bis 3,0 bar
Sekundärseite: Trinkwasser von 10 °C auf 60 °C erwärmen Vergleich: Massenstromregelung und Beimischregelung Ausgangssituation: 55 °C Zirkulationstemperatur im Trinkwassersystem, d. h. ca. 56 °C im Rücklauf auf der Primärseite, kein Verbrauch von Warmwasser, also reine Zirkulationslast, diese beträgt ca. 3 . . . 5 % der Gesamtleistung der Warmwasserbereitung. Leistungsbilanz: Q [kW] = m[kg/h] · c[J/kg · K] · ΔT [K]
Berechnung des Massenstromverhältnisses:
Q(primär) = m (primär) · spezifische Wärmekapazität c · (Vorlauftemperatur – Rücklauftemperatur)
Massenstromregelung: Q (primär) = m (primär) · c · (101 °C – 56 °C) Beimischregelung: Q (Wärmeübertrager) = m (Wärmeübertrager) · c · (61 °C – 56 °C)
Gleichsetzung: Q (primär) = Q (Wärmeübertrager)
m (primär) · c · (101 °C – 56 °C) = m (Wärmeübertrager) · c · (61 °C – 56 °C)
m (primär) · 45 °C = m (Wärmeübertrager) · 5 °C
m (Wärmeübertrager) = m (primär) · 45/5
m (Wärmeübertrager) = m (primär) · 9 (siehe Tabelle 2).
Das Bild zeigt schematisch den Aufbau einer regelbaren Strahlpumpe. Der Treibstrom mit Ruhedruck P01 wird in der konvergenten Treibdüse 1 beschleunigt und erreicht beim Eintritt in das Mischrohr 3, also am Ende der Fangdüse 2, seine größte Geschwindigkeit Vt. Der Treibstrom reißt infolge seiner hohen Geschwindigkeit den Saugstrom über den Mechanismus der turbulenten Schubspannungen mit. Der Saugstrom mit Ruhedruck P03 wird in der Fang düse beschleunigt und erreicht beim Eintritt in das Mischrohr die Geschwindigkeit Vs. Beide Ströme vermischen sich im Mischrohr unter Austausch von Impuls, kinetischer Ener gie und thermischer Energie. Der gemischte Strom hat am Ende des Mischrohres eine Geschwindigkeit Vm, die kleiner als Vt und größer als Vs ist. Die Geschwindigkeit des Gemisches fällt im Diffusor 4 auf einen praxisgerechten Wert ab.
Die Drücke fallen in der Treibdüse und in der Fangdüse näherungsweise entsprechend der Bernoulli-Gleichung ab und erreichen beim Eintritt in das Mischrohr den tiefsten Wert, den gemeinsamen Druck P‘. Der Druck steigt im Mischrohr infolge des oben genannten Impulsaustausches an und in der Erweiterung steigt er wegen der abfallenden Geschwindigkeit ebenfalls ab.
Die Beimischregelung erreicht in diesem Beispiel zur Trinkwassererwärmung eine 9-fache Wassermenge im Teillastfall im Vergleich zur Massenstromregelung. Bei anderen Temperaturen und anderen Lastfällen verändert sich das Verhältnis der Menge, aber die Beimischregelung hat immer den Vorteil: je kleiner die Lastabnahme, desto größer die Wassermenge über den Wärmeübertrager im Vergleich zur Massenstromregelung. Die daraus resultierenden Vorteile sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Beispiel 2: 2000 kW Fernwärmeübergabestation mit 2 unterschiedlichen Lastfällen
A) Teillastregelung bei einer Außentemperatur von 16 °C
m (primär) · (89.88 °C – 47 °C) =
m (Wärmeübertrager) · (57.7 °C – 47 °C)
m (primär) · 42.88 °C = m (Wärmeübertrager) · 10.7 °C
m (primär) · 42.88/10.7 = m (Wärmeübertrager)
m (primär) · 4 = m (Wärmeübertrager)
B) Teillastregelung bei einer Außentemperatur von 20 °C
m (primär) · (86.37 °C – 46.3 °C) =
m (Wärmeübertrager) · (50,2 °C – 46.3 °C)
m (primär) · 40.07 °C = m (Wärmeübertrager) · 3.9 °C
m (primär) · 40.07/3.9 = m (Wärmeübertrager)
m (primär) · 10,27 = m (Wärmeübertrager)
Im Lastfall A) bei einer Außentemperatur von 16 °C wird bei 27 % Hub des Stellgliedes (Strahlpumpe) die 4-fache Wassermenge durch die Beimischung gegenüber einer Massenstromregelung umgewälzt. Beim Lastfall B) bei 20 °C Außentemperatur wird über die 10-fache Wassermenge über den Wärmeübertrager durch die Beimischung bewegt.
Voraussetzung für die Beimischung mit einer Strahlpumpe ist ein anliegender minimaler Differenzdruck im Versorgungsnetz. Eine sinnvolle Größe beginnt bei 30 . . . 40 kPa, auch hohe Differenzdrücke von z. B. 600 kPa (6 bar) sind möglich. Die Komponenten werden nach dem geringsten zu erwartenden Differenzdruck ausgelegt. Differenzdruckschwankungen werden durch die Beimischregelung mit einer Strahlpumpe stabil ausgeregelt.
Je nach der Dynamik des zu regelnden Prozesses werden elektrische Antriebe mit einer Stellgeschwindigkeit von 6 bis 130 mm/min eingesetzt. In den Antrieben (230V oder 24V) können auch digitale Regler mit Anschlussmöglichkeiten bis zu maximal 4 Temperatursensoren installiert werden. Der Regelkreis wird vorkonfiguriert ausgeliefert und ist sofort betriebsbereit.
Autor: Dipl.-Ing. Marc Gebauer, Regionalleiter Vertrieb Ost, W. Bälz & Sohn GmbH & Co.
Bilder: W. Bälz & Sohn
Nachgefragt
IKZ-FACHPLANER: Worauf ist bei der Planung einer Strahlpumpe-basierten Beimischregelung zu achten?
Marc Gebauer: Die Beimischungregelung basiert auf der Rücklaufbeimischung. Zur Beimischung ohne den Einsatz einer zusätzlichen Umwälzpumpe wird ein differenzdruckbehaftetes Primärnetz benötigt. Dieser Differenzdruck sollte doppelt so groß oder größer als der hydraulische Widerstand des Verbrauchers sein, d. h. eine Ventilautorität größer 50 % ist gegeben. Beim Einsatz zur Regelung von Wärmetauschern kann der Druckabfall des Wärmetauschers an Hand des Netzdifferenzdruckes festgelegt werden. Beim Einsatz auf Heizkreisverteilern passt man die Hauptpumpe an den Druckabfall der Heizkreise an, wobei nicht zwingend der schlechteste Heizkreis berücksichtigt werden muss, denn man kann auch Mischsysteme mit Strahlpumpen und Umwälzpumpe & Regelventil konzipieren. Die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage steht im Fokus.
IKZ-FACHPLANER: Moderne Hocheffizienzpumpen kennzeichnen sich insbesondere durch einen geringen Stromverbrauch. Wie fällt der energetische Vergleich zum System Strahlpumpe aus?
Marc Gebauer: Dieser Vergleich ist vom Anwendungsfall abhängig. Bei Nahwärmesystemen mit funktionell bedingtem Differenzdruck werden durch die Strahlpumpen 100 % der elektrischen Energie der alternativ möglichen Umwälzpumpen eingespart. Werden die Netze durch Wärmetauscher getrennt oder es wird über eine Hydraulische Weiche eingespeist, wird eine elektrische Hauptpumpe notwendig. Diese eine Hauptpumpe versorgt die Strahlpumpen und hat einen besseren Wirkungsgrad als viele kleine Nassläuferpumpen in den einzelnen Regelkreisen in Summe.
IKZ-FACHPLANER: Kommen wir von der Theorie zur Praxis: Bieten Sie die Strahlpumpen auch als vormontierte Baugruppen – also komplette Bei mischschaltungen – an?
Marc Gebauer: Wir bieten zu 90 % fertige Baugruppen an, einzelne Strahlpumpen werden noch an erfahrene Stammkunden geliefert, bei denen man sich auf Fachwissen verlassen kann.
IKZ-FACHPLANER: Lassen sich die fertig vormontierten Baugruppen beispielsweise im Zuge von Erneuerungsmaßnahmen in bestehende Systeme implementieren oder bedarf es beispielsweise spezieller Regelungstechnik für die Ansteuerung der Strahlpumpe?
Marc Gebauer: Strahlpumpen werden im Zuge von Erneuerungsmaßnahmen eingesetzt. Die Ansteuerung kann über einen bauseitigen Regler erfolgen, wir empfehlen aber zum Nutzen der gesamten Möglichkeiten der Strahlpumpen einen Regler vom Hersteller der Strahlpumpen einzusetzen und diesen über einen Datenbus mit einer übergeordneten Regelung zu verbinden.
IKZ-FACHPLANER: Inwieweit unterstützen Sie als Hersteller TGA-Planer bei der Auslegung und Konfiguration der Systeme?
Marc Gebauer: Wir legen die Systeme – Fernwärmestationen, Heizungsverteiler, Frischwasserstationen – gerne komplett aus und übernehmen im Auftragsfall auch die Gewährleistung über die Funktion der Strahlpumpenregelkreise. Damit soll die unter Umständen vorhandene Hemmschwelle vor etwas „ Neuem“ gemindert werden.